Установлены следующие марки кирпича: малой прочности: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50; средней прочности: 75, 100,125, 150, 200; высокой прочности: 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000.

К каменным материалам предъявляются следующие требования по морозостойкости, водостойкости, объёмной массе и процентной пустотности.

Морозостойкость определяется маркой Мрз -количество периодических циклов замораживания и оттаивания в водо-насыщенном состоянии без повреждений и снижения прочности. Морозостойкость влияет на долговечность кладки здания.

В нормах на основании опыта проектирования к наружным стенам (на толщину 12 см) и стенкам подвала (на всю толщину) предъявляют требования по морозостойкости. К внутренним стенам и столбам эти требования не предъявляются.

Требования в нормах установлены в зависимости от срока службы (100, 50, 25 лет).

Существуют следующие марки по морозостойкости: Мрз - 10,(15, 20, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300).

Требования по водостойкости характеризуются коэффициентом размягчения, некоторые материалы в воде размягчаются и теряют прочность (гипсобетон).

Коэффициент размягчения характеризует отношение прочности образца в водо-насыщенном состоянии к прочности в суховоздушной среде. Во всех случаях он меньше или равен 1, для гипса принимается 0.7-0.8.

Чем выше объёмная масса камня, тем выше прочность и морозостойкость. Снижение объёмной массы камня повышает термическое сопротивление, но уменьшает морозостойкость и прочность.

Термическое сопротивление зависит от воздушной прослойки (отверстий) (см. рис. 12.10). Если отверстия увеличились более чем на 20 мм, то термическое сопротивление не увеличивается практически, поэтому большие отверстия не целесообразны. Обычно выполняют щелевидные отверстия.

 

 

Рис. 12.10. Эскиз пустотного камня, пустоты – щелевидные отверстия.

 

Растворы для каменной кладки.

Раствор в каменной кладке соединяет камни в монолитное целое, перераспределяет, выравнивает передачу усиления от камня к камню, заполняет швы, повышая долговечность.

Прочность раствора устанавливается как на момент возведения, при оттаивании, так и при эксплуатации.

Типы растворов по виду вяжущего вещества: 1) цементные; 2) известковые; 3) смешанные (известково-цементные, цементно-глинистые).

Наибольшее распространение получили известково-цементные растворы.

Маркой раствора называют временное сопротивление образца кубика с размером сторон 7,07см испытанного в возрасте 28 дней хранящегося при температуре t=15C.

Например, марка раствора М25 - кубик имеет прочность 25 кгc/см², испытанный в возрасте 28 дней.

Минимальная марка раствора рекомендуется для стен при долговечности 150 лет:

1) для сухого режима и влажности 60% и меньше не ниже М10;

2) для здания с влажностью 60-75% не ниже М25;

3) при влажности более 70% не ниже М50;

4) для стен, подвалов и цоколя применяют цементные растворы: при влажности грунта менее 60% не ниже М25; при влажности грунта более 60% не ниже М50.

Для армокаменных конструкций марка раствора не ниже М25.

 

Арматура для армокаменных конструкций.

Для армокаменных конструкций применяют арматуру: гладкую А-I, А-II (очень редко А-III); проволочную Вр-I (для сеток).

 

Л Е К Ц И Я № 13

П Л А Н

13.1. Виды каменной кладки

13.2. Прочность и деформативность каменной кладки при сжатии,

растяжении, срезе и изгибе

 

13.1. ВИДЫ КАМЕННОЙ КЛАДКИ

Каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней, вертикальных и горизонтальных швов, заполненных раствором. Каменная кладка применяется для стен и столбов зданий, фундаментов, дымовых труб мостовых опор и других сооружений.

По конструктивному решению различают: 1) сплошную кладку из кирпича или камней правильной формы; 2) кладку облегченную, состоящую из несущих кирпичных слоев и утеплителя, расположенного внутри кладки или с внутренней стороны; 3) кладку с облицовкой керамическими плитками, лицевым кирпичом или камнями; 4) кладку из крупных блоков из легкого или ячеистого бетона.

Наружные стены из кирпичной сплошной кладки ввиду большой теплопроводности кирпича получаются массивными. Для повышения эффективности наружных стен зданий применяют облегченные кладки из пустотелого кирпича и из эффективных пустотелых бетонных камней. Чтобы обеспечить прочность стен, кладку из кирпича и мелких камней выполняют в перевязку. При применении обычного кирпича вертикальные швы перевязывают укладкой тычковых рядов через один, три или пять ложковых рядов, а в кладке из мелкоштучных камней высотой до 200 мм тычковые ряды располагают через два-три ложковых ряда. Кладку кирпичных столбов и простенков шириной до 1000 мм выполняют обычно по трехрядной системе.

В облегченных стенах связь наружного и внутреннего слоев кладки осуществляется заделкой тычковых рядов в легкобетонный утеплитель, перевязкой тычковых рядов или заделкой в горизонтальные швы арматурных сеток или скоб.

Для каменных конструкций применяют искусственные и природные камни. К искусственным камням относятся: кирпич разных видов (керамический, силикатный), бетонные и керамические камни. Природные камни из тяжелых пород (известняки, песчаники, граниты) используют в основном для облицовки стен и кладки фундаментов, а из камней легких пород (туф, ракушечник) в некоторых районах возводят стены.

Основной характеристикой каменных материалов, применяемых в несущих конструкциях, является их прочность, характеризуемая маркой, которая представляет собой временное сопротивление стандартных образцов при сжатии в кгс/см². При определении марки кирпича дополнительно устанавливают его прочность при изгибе.

К каменным материалам, применяемым для кладки наружных стен и фундаментов, предъявляют также требования по морозостойкости, водостойкости, объемной массе, проценту пустотности.

Растворы для каменных кладок связывают между собой отдельные камни, передают усилия с одних камней на другие, распределяя их более равномерно по площади камня, уменьшают продуваемость кладки, заполняя швы между камнями. Применяют растворы цементные, известковые и смешанные. Прочность раствора характеризуется его маркой – временным сопротивлением сжатию в кгс/см² кубиков с ребром 7,07 см на 28-й день их твердения при температуре 15⁰С. Установлены марки в интервале 4 … 200. Для наружных стен принимают растворы марки не ниже 10.

 

13.2. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ПРИ СЖАТИИ, РАСТЯЖЕНИИ, СРЕЗЕ И ИЗГИБЕ

Прочность кладки зависит от прочности камня и прочности раствора, а также от качества выполнения кладки. При сжатии кладки вертикальные швы в работе не участвуют, так как при твердении раствор дает усадку, сцепление его с камнем нарушается и вертикальные швы можно рассматривать как узкие щели, у концов которых происходит концентрация напряжений, что приводит к снижению прочности кладки. Нагрузка в кладке передается через горизонтальные швы не равномерно, так как плотность и жесткость затвердевшего раствора по длине и ширине шва неодинаковы и опорные плоскости камней имеют неровности. Поэтому передача усилий происходит по отдельным точкам. В результате этого камни подвергаются не только сжатию, но также изгибу и срезу.

При сжатии кладки возникают поперечные деформации, причем деформации раствора, как правило, больше деформаций камня. Благодаря сцеплению растворных швов с камнем свободные деформации камня и раствора невозможны, поэтому по плоскостям соприкосновения камня и раствора появляются касательные усилия, вызывающие растяжения камня.

Различают четыре стадии работы каменной кладки при сжатии. Стадия 1 соответствует работе кладки без трещин. С увеличением нагрузки в отдельных камнях образуются местные вертикальные трещины, распределяющиеся по высоте на один-три ряда, и кладка переходит в стадию 2. В этой стадии трещины не опасны. Появление первых трещин указывает на то, что дальше увеличивать нагрузку недопустимо. При дальнейшем увеличении нагрузки трещины развиваются по высоте и соединяются между собой, расчленяя элемент на отдельные столбики и элемент переходит в стадию 3. Напряжения в кладке достигают 80…90% от предела прочности. Стадия 4 соответствует моменту разрушения кладки, разделенной на отдельные столбики.

Временное сопротивление кладки сжатию всегда меньше прочности камня , зависит от прочности раствора и определяется по формуле Онищика Л.И.:

, (1) где предел прочности раствора; экспериментальные коэффициенты, учитывающие вид кладки конструктивный коэффициент ; коэффициенты, учитывающие вид кладки и высоту камня, для кирпича ; для бетонных сплошных камней высотой 18 – 39 см ; пустотелых бетонных камней ; рваного бутового камня .

Для кладки из крупных легкобетонных блоков принимают , а для блоков из тяжелого бетона .

Временное сопротивление более точно определяют испытанием образцов кладки на сжатие. Расчетное сопротивление кладки осевому сжатию определяют по формуле

, (2) где коэффициент, учитывающий изменчивость прочности кладки ввиду ее неоднородности ( для кирпича, камней всех видов, крупных и мелких блоков, бута; для крупных и мелких блоков из ячеистого бетона.

В СНиПII-22-81^* приведены расчетные сопротивления для разных видов кладок. Для облегченных видов кладок расчетные сопротивления сжатию принимают для отдельных слоев кладки в соответствии с материалами, используемыми в этих слоях.

Деформация кладки под нагрузкой складывается из упругой и пластической . Пластические деформации проявляются при длительной нагрузке. Основным их источником являются деформации ползучести, развивающиеся в растворных швах. При напряжениях до кладка работает упруго и ее деформативность характеризуется модулем упругости , который пропорционален временному сопротивлению , здесь упругая характеристика кладки, зависящая от вида кладки и марки раствора (см. СНиП, ).

В общем случае зависимость нелинейная. Поэтому при высоких напряжениях деформации характеризуются модулем деформаций, представляющем тангенс угла наклона касательной к диаграмме в заданной точке . При расчете на эксплуатационные нагрузки принимают приближенное значение (при определении деформаций кладки) и (при расчете по прочности) или .

При растяжении и срезе кладка разрушается главным образом из-за нарушения сцепления раствора с камнем. При слабых растворах или при камне малой прочности разрыв может произойти по шву или камню. Сцепление раствора с камнем тем больше, чем выше прочность раствора и меньше его усадка.

Каменная кладка в зависимости от направления действующих усилий при работе на растяжение, изгиб и срез может разрушаться по не перевязанному или перевязанному сечению. Разрушение по не перевязанному сечению происходит по горизонтальному шву кладки (рис. 13.3, а), по перевязанному сечению – по ступенчатому сечению (рис. 13.3, б), либо по плоскому через камни (рис. 13.3, в). Расчетные сопротивления кладки растяжению по не перевязанному сечению , по перевязанному – , по камню и срезу , растяжению при изгибе приводятся в СНиПII-22-81^*.

Прочность кладки на сжатие в 10 …20 раз выше, чем при растяжении. Для сплошной кладки из кирпича или камней правильной формы работа на растяжение и срез допускается только по перевязанному сечению.

I. II. III. IV.

Рис. 13.1

 

 

 

Рис. 13.2

 

Рис. 13.3

 

Л Е К Ц И Я №14

П Л А Н

14.1. Прочностные характеристики армированной каменной кладки

14.2. Расчет прочности центрально сжатых каменных конструкций

14.3. Расчет прочности внецентренно сжатых каменных конструкций

 

14.1. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АРМИРОВАННОЙ КАМЕННОЙ КЛАДКИ

Для армокаменных кладок применяют следующие материалы: а) кирпич марки не ниже М75, керамические, природные и искусственные камни – не ниже М35; б) строительные растворы не ниже М50; в) для сетчатого армирования применяют арматуру А-I, Вр-I; г) для продольного и поперечного армирования – арматуру А-I, А-II, А-III и Вр-I. Для сетчатого армирования высота ряда кладки не должна превышать 150 мм. Основными прочностными характеристиками армированной кладки являются: временное сопротивление армированной кладки сжатию ; расчетное сопротивление армированной кладки при осевом сжатии ; расчетное сопротивление армированной кладки при внецентренном сжатии :

– с сетчатым армированием, (1)

– с продольным армированием, (2) где нормативное сопротивление арматуры; процент армирования.

При сетчатым армированием имеем

, (3) где объем арматурной сетки; объем кладки; размер ячейки сетки; шаг сеток; площадь сечения стержней сетки.

При продольном армировании имеем

, (4) где площадь сечения арматуры и кладки.

Расчетное сопротивление кладки с сетчатым армированием при центральном сжатии

, (5) где расчетное сопротивление арматуры.

Модуль упругости кладки с армированием сетками , а с продольным армированием , где упругая характеристика армированной кладки.

 

14.2. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТЫХ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Расчет неармированных центрально сжатых элементов по несущей способности производят в предположении равномерного распределения напряжений в поперечном сечении. При этом несущая способность элемента зависит не только от прочности кладки, но и от гибкости элемента. Гибкость элемента определяется отношением расчетной длины к радиусу инерции сечения в направлении минимальной жесткости , а для прямо-

угольного сечения , где наименьший размер сечения. С учетом явления продольного изгиба и ползучести несущая способность элемента определяется из условия:

, (6) где расчетная продольная сила; площадь поперечного сечения; расчетное сопротивление кладки сжатию; коэффициент продольного изгиба, зависящий от упругой характеристики кладки и гибкости элемента или , определяемый по таблице СНиП ; коэффициент снижения несущей способности кладки из-за ползучести при длительном загружении: , здесь коэффициент, учитывающий вид кладки и гибкости элемента, принимаемый по СНиП ; расчетная продольная сила от длительных нагрузок.

Расчетная длина сжатых стен и столбов зависит от условий опирания на горизонтальные опоры (перекрытия). При неподвижных шарнирных опорах, которыми являются опирающиеся перекрытия принимают , где Н – расстояние между перекрытиями (рис. 14.1). При упругой верхней опоре и жестком защемлении в нижней – для однопролетных зданий , для многопролетных (рис. 14.1). Для свободно стоящих конструкций . Значения коэффициентов и по высоте стен и столбов меняется и принимаются по рис. 14.1.

 

14.3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

На внецентренное сжатие работают конструкции каменных зданий, в которых продольная сжимающая сила приложена с эксцентриситетом, либо элементы в сечениях которых одновременно действует осевая сила и изгибающий момент , то есть .

При небольших эксцентриситетах все сечение сжато и эпюра напряжений имеет криволинейное очертание (рис. 14.2). По мере увеличения эксцентриситета, сжимающие напряжения со стороны, удаленной от силы, уменьшаются, а затем меняют знак, то есть возникает растяжение (рис. 14.3). В растянутой зоне при достижении напряжений предела прочности кладки растяжению по горизонтальным швам образуются трещины, и эта часть кладки как бы исключается из работы. В сжатой зоне сечения со стороны продольной силы нагрузку воспринимает ненарушенная часть сечения высотой (рис. 14.4).

Поскольку сжимающие напряжения распределены по сечению неравномерно, временное сопротивление кладки сжатию достигается первоначально в краевых участках. Однако при этом несущая способность не исчерпывается, так как в наиболее нагруженных участках вследствие ползучести развиваются значительные деформации, и тогда включаются в работу менее загруженные участки, которые сдерживают поперечные деформации сжатой зоны и тем самым повышают ее временное сопротивление по сравнению с центрально сжатыми элементами. Это явление учитывается при расчете коэффициентом , величина которого для кирпичной кладки прямоугольного сечения находится из выражения

, (7)

а для сечений произвольной формы

, (8) где расстояние до центра тяжести сечения, которое при принимают из условия .

Вследствие сложности напряженного состояния внецентренно сжатых элементов при расчете их прочности исходят из эмпирических формул, основанных на следующих допущениях: растянутая зона, если она имеется, исключается из работы; напряжения в сжатой зоне считаются распределенными равномерно (рис. 14.5); неравномерность распределения напряжений по сечению учитывается коэффициентом .

Несущая способность внецентренно сжатого каменного элемента обеспечена, если выполняется условие:

, (9) где ; эксцентриситет длительных нагрузок; площадь сжатой части сечения, у которой центр тяжести совпадает с точкой приложения внешней силы в предположении прямоугольной эпюры напряжений, для прямоугольного сечения имеем , здесь площадь всего сечения; коэффициент продольного изгиба, определяемый как среднее арифметическое между коэффициентом продольного изгиба для всего сечения высотой и коэффициентом продольного изгиба для сжатой части сечения элемента, высота которой для прямоугольного сечения ; . При этом определяется по гибкости сжатой части , где радиус инерции сжатой части.

При расчете элементов толщиной 25 см и менее учитывают случайные эксцентриситеты : для несущих стен см; для самонесущих и отдельных слоев трехслойных несущих стен см. Полный эксцентриситет будет равен .

Опыты показывают, что при может быть допущено небольшое раскрытие трещин в горизонтальных швах. Такое раскрытие не вызывает появление видимых трещин в облицовке и штукатурке стен. Однако при раскрытие швов становится заметным. В этом случае помимо расчета прочности необходим расчет кладки по раскрытию трещин. Наибольшая величина эксцентриситета с учетом случайного не должна превышать для основных сочетаний нагрузок 0,9у, для особых – 0,95у, а для стен толщиной см – 0,8у и 0,85у.

Рис. 14.1 Рис. 14.2

s= R_ut s< R_u

Рис. 14.3 Рис. 14.4 Рис. 14.5

 

Л Е К Ц И Я № 15

П Л А Н

15.1. Расчет прочности каменных конструкций на смятие

15.2. Расчет прочности каменных конструкций на изгиб, растяжение и

срез

15.3. Особенности проектирования многослойных стен

 

15.1. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СМЯТИЕ

Смятие возникает в кладке при действии нагрузки на ограниченную область, то есть только на часть сечения (рис. 15.1). В этом случае ненагруженная или менее нагруженная часть оказывает сопротивление поперечным деформациям, что приводит к повышению предела прочности кладки подвергнутой местному сжатию, Несущая способность сечения при местном сжатии

, (1) где величина расчетной местной нагрузки, коэффициент полноты эпюры давления от местной нагрузки: при равномерном распределении , при треугольной эпюре давления ; коэффициент, учитывающий пластическую работу материала, для кирпичной и виброкирпичной кладки ; расчетное сопротивление кладки при местном смятии; площадь смятия, на которую непосредственно передается нагрузка; ; расчетная площадь сечения кладки, включающая площадь смятия и площадь соседних участков кладки; коэффициент, учитывающий максимально допустимое увеличение по отношению к , зависит от вида кладки и схемы смятия, (СНиПII-22-81^*).

Площадь смятия определяется размерами опорных площадок конструкций . Если под опорой ригеля или фермы имеется железобетонная или стальная подушка, то равна произведению ее ширины на длину. Расчетная площадка сечения кладки включает площадь смятия и площадки соседних участков в допустимых пределах:

а) при местной нагрузке по всей толщине стены (рис. 15.1)

; (2)

б) при нагрузке на край стены по всей ее толщине

; (3)

в) при опирании на стену концов балок

, (4) где глубина заделки опорного участка балки, но не более 20 см; при ; при ;

г) при местной нагрузке на угол стены

при , (5)

при ; (6)

д) при местном сжатии на участке внутри сечения стены

при , а при принимают .

 

15.2. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ИЗГИБ, РАСТЯЖЕНИЕ И СРЕЗ

Проектирование неармированных конструкций, работающих на изгиб, допускается только для кладок, работающих по перевязанному сечению. К таким конструкциям относятся подпорные стенки с вертикальными контрфорсами, стены зданий между колоннами. Расчет сечений производят на действие изгибающего момента и поперечной силы . При этом кладку условно рассматривают как упругий материал. Расчетные условия имеют вид:

; , (7) где расчетные сопротивления кладки растяжению по перевязанному шву и главным растягивающим напряжениям при изгибе, соответственно; момент упругого сопротивления кладки; ширина сечения; плечо внутренней пары сил, для прямоугольного сечения .

Каменные конструкции, работающие на центральное растяжение (стенки круглых резервуаров, силосов и других емкостей), рассчитывают исходя из прочности кладки по перевязанному сечению или камню:

, (8) где расчетное сопротивление кладки осевому растяжению по перевязанному сечению; площадь сечения нетто (за вычетом вертикальных швов).

На срез по горизонтальному шву работают, например, элементы каменной кладки, воспринимающие распор от затяжек сводов. Сопротивление срезу по горизонтальным швам складывается из собственной несущей способности кладки на срез и из сопротивления трению кладки по горизонтальному шву

, (9) где расчетное сопротивление срезу; для кладки из сплошного кирпича; из пустотелого кирпича и камней; коэффициент трения по шву кладки ( для кирпича); сжимающие напряжения в кладке; минимальное сжимающее усилие; расчетная площадь сечения; 0,8 – коэффициент снижения из-за увлажнения и других условий.

15.3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТЕН

К многослойным относятся стены из двух или более слоев, выполненные из разных материалов, например, из кирпичной кладки и легких бетонов, или плитных утеплителей, или из кирпичной кладки и кладки из бетонных или керамических камней. Так как прочность и деформационные свойства материалов многослойных стен неодинаковы, то отдельные слои под действием нагрузки деформируются различно. Испытаниями установлено, что несущая способность кладки не равна сумме прочностей всех ее слоев. Разрушение начинается с наиболее прочного слоя, обладающего меньшей деформативностью, чем другие менее прочные слои. Таким образом, прочность при сжатии слабых слоев в кладке используется не полностью. В расчетах это учитывают введением соответствующих коэффициентов использования прочности слоев кладки и , равных 0,6 … 1. Работу теплоизоляционных слоев в облегченной кладке учитывают только тогда, когда они выполнены из бетонов или камней марки не ниже 10. Теплоизоляционные слои прочностью ниже марки 10, а также из минераловатных или органических плит, пористых пластмасс, засыпок и других материалов учитываются только как нагрузка, приложенная с соответствующим эксцентриситетом.

Совместная работа слоев кладки зависит от вида связей между ними. Различают связи жесткие и гибкие. Связи между конструктивными слоями считаются жесткими, если расстояние между осями вертикальных диафрагм не более 10h и не более 120 см (h – толщина более тонкого конструктивного слоя) или когда тычковые прокладные ряды расположены по высоте кладки не более чем через 5h и не более 62 см. В кладке с облицовочным слоем жесткая связь обеспечивается выполнением требований взаимной перевязки кирпича и камней тычковыми рядами. Гибкие связи выполняются из коррозиестойких сталей или сталей, защищенных от коррозии. Суммарная площадь сечения гибких связей должна быть не менее 0,4 см² на 1 м² поверхности стены. Слои кладки с гибкими связями работают раздельно, так как гибкие скобы не могут передать нагрузки от одного слоя к другому, поэтому каждый слой кладки должен быть рассчитан самостоятельно на приходящиеся на него нагрузки.

При жестком соединении слоев различная прочность и упругие свойства слоев при их совместной работе в стене учитываются путем приведения площади сечения к материалу основного несущего слоя. Эксцентриситеты всех усилий определяются по отношению к оси центра тяжести приведенного сечения. При приведении сечения стены к одному материалу толщина слоев принимается фактической, а ширина слоев изменяется пропорционально характеристикам прочности слоев по формуле

, (10) где приведенная ширина слоя; фактическая ширина слоя; соответственно расчетное сопротивление и коэффициент использования прочности слоя, к которому приводится сечение; соответственно расчетное сопротивление и коэффициент использования любого другого слоя стены.

Расчет многослойных стен с жесткими связями проводят так же, как и однослойные:

а) при центральном сжатии ; (11)

б) при внецентренном сжатии , (12) где приведенная площадь сечения; площадь сжатой части приведенного сечения; определяются по приведенному сечению и материалу, к которому он приведено.